城市交通信號控制系統(tǒng)課件

第六章城市交通信號控制系統(tǒng)主要內(nèi)容6.1概述6.2城市交通控制的基本理論和方法6.3定時式脫機控制系統(tǒng)6.4感應(yīng)式聯(lián)機控制系統(tǒng)6.5基于多智能體的區(qū)域交通控制系統(tǒng)6.1概述6.2城市交通控制的基本理論和方法6.3定時式脫機控制系統(tǒng)6.4感應(yīng)式聯(lián)機控制系統(tǒng)6.5基于多智能體的區(qū)域交通控制系統(tǒng)交通控制系統(tǒng)的發(fā)展過程可表示為：年份方式國別應(yīng)用城市系統(tǒng)名稱系統(tǒng)特征路口數(shù)周期檢測器1868點控英國倫敦燃?xì)馍珶?定無1914點控美國克利夫蘭電燈1定無1926點控英國各城市自動信號機1定無1928點控美國各城市感應(yīng)信號機1變氣壓式1917線控美國鹽湖城手控協(xié)調(diào)6定1922線控美國休斯敦電子計時12定1928線控美國各城市步進(jìn)式定時多變1952面控美國丹佛市模擬計算機動態(tài)控制多變氣壓式年份方式國別應(yīng)用城市系統(tǒng)名稱系統(tǒng)特征路口數(shù)周期檢測器1963面控加拿大多倫多數(shù)字計算機動態(tài)控制多變電磁式1968面控英國哥拉斯哥TRANSYT靜態(tài)控制多變環(huán)形線圈1975面控美國華盛頓CYRANO動態(tài)控制多變環(huán)形線圈1980面控英國哥拉斯哥SCOOT動態(tài)控制多變環(huán)形線圈1982面控澳大利亞悉尼SCATS動態(tài)控制多變環(huán)形線圈1985面控意大利都靈SPOT/UTOPIA動態(tài)控制多變環(huán)形線圈1989面控法國圖盧茲PRODYN動態(tài)控制多變環(huán)形線圈6.1交通信號控制系統(tǒng)概述年份方式國別應(yīng)用城市系統(tǒng)名稱系統(tǒng)特征路口數(shù)周期檢測器1995面控德國科隆MOTION動態(tài)控制多變環(huán)形線圈1996面控美國新澤西OPAC動態(tài)控制多變環(huán)形線圈1996面控美國鳳凰城RHODES動態(tài)控制多變環(huán)形線圈1997面控希臘哈尼亞TUC動態(tài)控制多變環(huán)形線圈6.1交通信號控制系統(tǒng)概述1）按控制方法分類（1）定時控制交叉口交通信號控制機均按事先設(shè)定的配時方案運行，也稱定周期控制。一天只用一個配時方案的稱為單段式定時控制；一天按不同時段的交通量采用幾個配時方案的稱為多段式定時控制。6.1交通信號控制系統(tǒng)概述（2）感應(yīng)控制感應(yīng)控制是在交叉口進(jìn)口道上設(shè)置車輛檢測器，信號燈配時方案由計算機或智能化信號控制機計算，可隨檢測器檢測到的車流信息而隨時改變的一種控制方式。感應(yīng)控制的基本方式是單個交叉口的感應(yīng)控制，簡稱單點感應(yīng)控制。（3）自適應(yīng)控制把交通系統(tǒng)作為一個不確定系統(tǒng)，能夠連續(xù)測量其狀態(tài)，如車流量、停車次數(shù)、延誤時間、排隊長度等，逐漸了解和掌握對象，把它們與希望的動態(tài)特性進(jìn)行比較，并利用差值以改變系統(tǒng)的可調(diào)參數(shù)或產(chǎn)生一個控制方案，從而保證不論環(huán)境如何變化，均可使控制效果達(dá)到最優(yōu)或次最優(yōu)的一種控制方式。6.1交通信號控制系統(tǒng)概述2）按控制范圍分類（1）點控方式點控方式是指每個交叉口的交通控制信號只按照該交叉口的交通情況獨立運行，不與其鄰近交叉口的控制信號有任何聯(lián)系，即單點信號控制。這是交通信號控制的最基本形式。點控方式適用于相鄰交叉口間距較遠(yuǎn)，或者因各相位交通需求變動顯著，其交叉口的周期長和綠信比的獨立控制比線控更有效的情況。6.1交通信號控制系統(tǒng)概述（3）面控方式

以某個區(qū)域中所有信號控制交叉口作為協(xié)調(diào)控制的對象，稱為面控制系統(tǒng)?？刂茀^(qū)內(nèi)各受控交通信號都受交通控制中心的集中控制。對范圍較小的區(qū)域，可以整區(qū)集中控制；對范圍較大的區(qū)域，可以分區(qū)分級控制。分區(qū)的結(jié)果往往使面控制成為一個由幾條線控制組成的分級集中控制系統(tǒng)，這時，可認(rèn)為各線控制是面控制中的一個單元，有時分區(qū)成為一個點、線、面控制的綜合性分級控制系統(tǒng)。6.1交通信號控制系統(tǒng)概述3)按控制策略分類定時式脫機控制系統(tǒng)

利用交通流歷史及現(xiàn)狀統(tǒng)計數(shù)據(jù)，進(jìn)行脫機優(yōu)化處理，得出多時段的最優(yōu)信號配時方案，存入控制器或控制計算機內(nèi)，對整個區(qū)域交通實施多時段定時控制。系統(tǒng)只有在網(wǎng)絡(luò)交通條件發(fā)生重大變化，原信號配時方案不能滿足要求時，才重新對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一次交通量數(shù)據(jù)采集、處理，進(jìn)而更新信號配時方案。特點：定時式脫機控制系統(tǒng)簡單、可靠且效益投資比高，但不能及時響應(yīng)交通流的隨機變化，因此當(dāng)交通量數(shù)據(jù)過時后，控制效果明顯下降。6.1交通信號控制系統(tǒng)概述b.感應(yīng)式聯(lián)機控制系統(tǒng)通過路網(wǎng)上的車輛檢測器，實時采集交通量數(shù)據(jù)，進(jìn)行交通模型辯識，進(jìn)而得到與配時參數(shù)有關(guān)的優(yōu)化問題，在線求解該問題即獲得配時方案，然后對區(qū)域內(nèi)的交通信號實施控制。

感應(yīng)式聯(lián)機控制系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)交通流的隨機變化，控制效果好，但控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、投資高、對設(shè)備可靠性要求高。目前比較成熟的在線控制系統(tǒng)有：英國的SCOOT（SplitCycleOffsetOptimizationTechnique）系統(tǒng)，澳大利亞的SCATS（SydneyCoordinatedAdaptiveTrafficSystem）系統(tǒng)等。6.1交通信號控制系統(tǒng)概述6.1交通信號控制系統(tǒng)概述集中式控制結(jié)構(gòu)的缺點是：①大量數(shù)據(jù)的集中處理及整個系統(tǒng)的集中控制，需要龐大的通信傳輸系統(tǒng)和巨大的存儲容量；②控制系統(tǒng)的實時性較差，控制區(qū)域范圍較小。目前集中式控制結(jié)構(gòu)已經(jīng)很少采用。6.1交通信號控制系統(tǒng)概述（2）分層式控制結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)中，上層控制主要接受來自下層控制的決策信息，并對這些決策信息進(jìn)行整體協(xié)調(diào)分析，從全系統(tǒng)戰(zhàn)略目標(biāo)考慮修改下層控制的決策；下層控制則根據(jù)上層控制確定的控制策略，確定或調(diào)整自身的控制方案。這種結(jié)構(gòu)可以避免集中控制結(jié)構(gòu)的缺點，且有降級控制的功能，提高了系統(tǒng)的可靠性，但需增加設(shè)備，投資較高。6.1交通信號控制系統(tǒng)概述①第一級位于交叉口，由交叉口信號控制機組成，包括功能：a.監(jiān)視設(shè)備故障(檢測器、信號燈和其它局部控制設(shè)施)；b.收集檢測數(shù)據(jù)；c.把交通流和設(shè)備性能等數(shù)據(jù)傳送到第二級控制；d.接受上級下達(dá)的指令并按指令操作。②第二級位于所控制區(qū)域內(nèi)的比較中心的位置，功能包括：a.監(jiān)視從第一級控制送來的交通流和設(shè)備性能的數(shù)據(jù)并傳到第三級控制中心；b.決定要執(zhí)行的控制類型，選擇控制方法并協(xié)調(diào)第一級控制。③第三級位于交通控制中心，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制?？刂浦行哪鼙O(jiān)視控制區(qū)域內(nèi)任一信號交叉口的數(shù)據(jù)，接收、處理相關(guān)數(shù)據(jù)，確定第二級控制的控制策略，并提供監(jiān)視和顯示設(shè)備。6.1交通信號控制系統(tǒng)概述多級控制的優(yōu)點包括：①通過數(shù)據(jù)的預(yù)處理和集中傳輸，能減少傳輸費用；②系統(tǒng)不依賴于一個控制中心或集中的傳輸網(wǎng)絡(luò)，具有很高的可靠性；③能處理的實時單元(檢測器、交叉口信號機等)的容量較大；④控制方法和執(zhí)行能力比較靈活。

多級控制的缺點是：①需要的設(shè)備多，系統(tǒng)成本高；②設(shè)備維護(hù)比較復(fù)雜；③控制程序較復(fù)雜。6.1交通信號控制系統(tǒng)概述6.1概述6.2城市交通控制的基本理論和方法6.3定時式脫機控制系統(tǒng)6.4感應(yīng)式聯(lián)機控制系統(tǒng)6.5基于多智能體的區(qū)域交通控制系統(tǒng)6.2.1基本概念經(jīng)過近百年的發(fā)展，交通控制已經(jīng)形成了一套較為成熟的概念和方法，迄今為止，一些傳統(tǒng)的方法仍在繼續(xù)發(fā)揮著作用。平面交叉口一般可分為十字形、X形、T形、Y形和多路交叉口。6.2城市交通控制的基本理論和方法十字形交叉口X形交叉口T形交叉口Y字形交叉口多路形交叉口6.2.2.1步與步長某一時刻，燈控路口各個方向各信號燈狀態(tài)所組成的一組確定的燈色狀態(tài)稱為步。例如：信號機在時刻7:30開機，此時方向1和方向3左轉(zhuǎn)綠箭頭燈和紅燈亮，方向2和方向6的紅燈亮，所有人行紅燈亮，若該狀態(tài)持續(xù)35s，則這是控制方案中的一步，其步長為35s。6.2.2.2周期用于指揮交通的信號總是一步一步循環(huán)變化的，一個循環(huán)由有限個步構(gòu)成。一個循環(huán)內(nèi)各步的步長之和稱為信號周期，用表示。6.2城市交通控制的基本理論和方法若一個循環(huán)有n步，各步步長分別為t1,t2,…,tn

則

C=t1+t2+…+tn6.2.2.3相位在交通控制中，為了避免平面交叉口上各個方向交通流之間的沖突，通常采用分時通行的方法，即在一個周期的某一個時間段，交叉口上某一支或幾支交通流具有通行權(quán)，而與之沖突的其他交通流不能通行。在一個周期內(nèi)，平面交叉口上某一支或幾支交通流所獲得的通行權(quán)稱為信號相位，簡稱相位，一個周期內(nèi)有幾個信號相位，則稱該信號系統(tǒng)為幾相位系統(tǒng)。6.2城市交通控制的基本理論和方法相位1相位2相位3相位46.2.2.4綠信比在一個信號周期中，各相位的有效綠燈時間與周期長度的比稱為綠信比。若設(shè)tGi為第i個相位信號的有效綠燈時間，C為周期長度，則該相信號的綠信比為綠信比反應(yīng)了該信號相位交通流在一個周期中需要綠時的大小。第i相信號的有效綠燈時間按下式計算：6.2城市交通控制的基本理論和方法式中，Gi、Yi、li分別為第i相信號的綠燈時間、黃燈時間和損失時間。

損失時間的含義：在一個信號相位上，綠燈時間和黃燈時間之和為車輛的可通行時間，然而，可通行時間并不能全部得到充分利用，當(dāng)綠燈信號開啟時，排隊車輛需要起動和加速，因而開始時車輛的駛出率是不高的，于是導(dǎo)致一部分損失時間；而在綠燈關(guān)閉，黃燈開啟時，車輛已不允許越過停車線，只有綠燈期間已經(jīng)越過停車線的車輛可以繼續(xù)通行。因此，這段時間里的車流量由大變小，逐漸下降到零，所以黃燈時間亦有一部分損失掉。6.2城市交通控制的基本理論和方法6.2.2.5相位差（Offset）相位差是交通干線協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的一個重要概念，用tos表示。相位差分絕對相位差和相對相位差。相位差是指相鄰兩信號的綠燈或紅燈的起點或中點之間的時間之差。若使用綠燈起點作為時差的標(biāo)點，則稱為“綠時差”。為使車輛通過聯(lián)動協(xié)調(diào)信號控制系統(tǒng)時，能連續(xù)通過盡可能多的綠燈，應(yīng)使下游交叉口信號的綠燈，正好在上游交叉口綠燈駛出車輛剛到達(dá)之前啟亮，也就是使相鄰信號間的綠時差與車輛在其間的行程時間相適應(yīng)，所以綠時差是信號控制系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制的關(guān)鍵參數(shù)。6.2城市交通控制的基本理論和方法6.2城市交通控制的基本理論和方法6.2.2.6通行能力通行能力是指單位時間內(nèi)連續(xù)通過車輛的能力，包括路段通行能力和路口通行能力。路段通行能力是指在單位時間內(nèi)路段某截面能通過的最大車輛數(shù)；路口通行能力是指在單位時間內(nèi)進(jìn)入路口的最大車輛數(shù)，其單位是PCU/h。qc=qs×teg/Cqc為路口某一入口處車道的通行能力，qs為入口車道的飽和流量，teg為某相信號的有效綠燈時間，C為信號周期長度6.2城市交通控制的基本理論和方法6.2.3交通模型及有關(guān)概念交通模型是描述交通流狀態(tài)變量隨時間和空間變化、分布規(guī)律及與交通控制變量之間關(guān)系的方程式或映射。根據(jù)描述的對象不同可以分為微觀模型和宏觀模型。微觀模型描述單個車輛的運動規(guī)律；宏觀模型描述車流的運動規(guī)律。交通控制系統(tǒng)中主要采用的是宏觀模型。6.2.3.1宏觀穩(wěn)態(tài)交通的基本特征宏觀模型的基本特征主要用交通流量、交通密度和空間平均車速等描述。6.2城市交通控制的基本理論和方法（1）速度與密度的關(guān)系(2)流量與密度的關(guān)系6.2城市交通控制的基本理論和方法（3）流量與速度的關(guān)系6.2.3.2連續(xù)交通流模型對于正常的交通流，可以假定流量q(x,t)、密度p(x,t)和速度v(x,t)都是位置x和時間t的連續(xù)、可微的函數(shù)。6.2.3.3城市道路交通模型城市道路的特點是存在大量的平面交叉口，不同方向車流的沖突也在此發(fā)生。因此，研究城市道路交通時，重點應(yīng)集中在交叉口的交通特征上。6.2.3.4高速公路交通模型6.2城市交通控制的基本理論和方法將高速公路按實際幾何情況和交通情況劃分為若干路段。每個路段內(nèi)交通狀態(tài)可近似認(rèn)為是均勻的，即流量、密度和速度不變，且每一路段內(nèi)車道數(shù)目不變，至多包含一個入口和一個出口。6.2.4基本的交通控制方法單路口的交通信號控制是最基本的交通控制形式，也是線控和面控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其控制目標(biāo)是通過合理的信號配時，消除或減少各向交通流的沖突點，同時使車輛和行人的總延誤時間最小。單路口的交通信號控制主要分為定時控制、感應(yīng)控制、實時自適應(yīng)控制等。6.2城市交通控制的基本理論和方法6.2.4.1信號控制下的車輛運動過程及車輛延誤信號控制下的交叉口的車輛運動過程：車輛到達(dá)交叉口的數(shù)量和到達(dá)的時間間隔是隨機變化的，因此，在每個信號周期內(nèi)，總有一部分車輛遇到紅燈信號，需要減速并停車等待。當(dāng)紅燈信號結(jié)束轉(zhuǎn)為綠燈信號時，等待的車輛要啟動、加速并通過交叉口。還有一種情況就是一部分車輛到達(dá)停車線前，車輛只是減速，而未真正停止前進(jìn)。車輛通過交叉口的延誤時間主要受車輛到達(dá)率和交叉口的通行能力的影響。在交叉口通行能力不變的情況下，延誤時間主要取決于車輛到達(dá)率。設(shè)車輛的到達(dá)率為q(PCU/h)，同時設(shè)綠燈期間車輛的駛出率為s(PCU/h)，進(jìn)口道周期時間，綠燈時間tg和紅燈時間tr。則信號周期長度為C=tg+tr。6.2城市交通控制的基本理論和方法在紅燈期間，車流的駛出率為0，車輛排隊等待，當(dāng)信號轉(zhuǎn)換為綠色時，排隊車輛以s駛出率離開交叉口。綠燈開啟后g0時間內(nèi)，隊長消失。此時到達(dá)車輛以到達(dá)率q離開交叉口，直到信號變紅為止。斜率=s斜率=qg0trtgC時間累計到達(dá)流量車輛到達(dá)和駛離交叉口的過程隊長消散所需時間g0由下式計算：為保證每個周期時間內(nèi)排隊車輛能消散，必須每個周期內(nèi)車輛的總延誤td等于陰影部分三角形面積，即6.2城市交通控制的基本理論和方法6.2.4.2信號控制的配時設(shè)計對單路口的信號控制來說，評價其配時方案是否最佳的主要指標(biāo)有延誤時間、通行能力和交通事故次數(shù)等。延誤時間是駕駛員最關(guān)心的指標(biāo)，而且也容易折合成經(jīng)濟(jì)指標(biāo)?？偟难诱`時間最小計算最佳的周期長度按各向為臨界車道的交通量作正比例分配各相位的綠燈時間6.2城市交通控制的基本理論和方法6.2.4.3感應(yīng)控制定時控制方法是目前使用最廣的一種控制方式，其配時方案是根據(jù)交通調(diào)查所得到的歷史數(shù)據(jù)制定的，而且一經(jīng)確定，則維持不變，直到下次重新進(jìn)行交通調(diào)查。這種方式不適應(yīng)于交通流的隨機變化。為了克服這種現(xiàn)象，必須采用閉環(huán)控制，首先檢測某車道是否有車輛到達(dá)，然后再決定是否給該車道開綠燈。即感應(yīng)控制。感應(yīng)控制從實施方式來看可分為兩種：一種是半感應(yīng)控制，即在交叉口處將檢測器安裝在次干道上，根據(jù)次干道的交通需求進(jìn)行信號控制；另外一種是全感應(yīng)控制，即在交叉口的所有入口道上均安裝檢測器，根據(jù)所有入口道的交通需求進(jìn)行控制。主干道次干道停止線線圈半感應(yīng)控制示意圖主干道綠燈次干道有車嗎？主干道最小綠時結(jié)束否？次干道綠燈次干道繼續(xù)來車否？次干道最大綠時到否？無否否到否是是是半感應(yīng)控制流程圖感應(yīng)式信號控制控制器內(nèi)預(yù)設(shè)一個“初期綠燈時間”，到初期綠燈時間結(jié)束時，如在一個預(yù)置的時間間隔內(nèi)無后續(xù)車輛到達(dá)，則更換相位，如檢測到有有后續(xù)車輛到達(dá)，則每測得一輛車，綠燈延長一個預(yù)置的“單位綠燈延長時間”，如果一直連續(xù)有車，延遲到“極限延長時間”時，強行換相位。6.2城市交通控制的基本理論和方法感應(yīng)信號控制原理圖GmaxGminGuG6.2城市交通控制的基本理論和方法感應(yīng)信號控制關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置Gmin（1）保證停在檢測線和停止線之間的車輛全部駛出所需要的最短時間；（2）保證行人安全過街所需要的時間（3）保證非機動車車安全過街所需要的時間6.2城市交通控制的基本理論和方法感應(yīng)信號控制關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置（1）必須能使車輛從檢測器所在位置開出停車線；（2）只滿足已經(jīng)停在檢測器范圍內(nèi)的車輛，而不應(yīng)該等待不緊跟隨的車輛；（3）要與被檢測到的車道數(shù)結(jié)合起來；Gu6.2城市交通控制的基本理論和方法感應(yīng)信號控制關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置按信號最佳周期時長及綠信比分配到各相位的最佳時間，一般在30－60sGmax6.2城市交通控制的基本理論和方法感應(yīng)信號控制的實質(zhì)實質(zhì)是在定時信號內(nèi)部的一種微調(diào)；正確配時感應(yīng)信號控制在運行中不應(yīng)經(jīng)常出現(xiàn)綠燈極限時間，否則實際上是按定時信號機在操作。6.2城市交通控制的基本理論和方法自適應(yīng)信號控制信號配時以綜合目標(biāo)最優(yōu)為目的綜合目標(biāo)包括：延誤時間停車次數(shù)、擁擠程度、油耗、環(huán)境污染等。兩個關(guān)鍵步驟：（1）建立目標(biāo)函數(shù)及約束條件（2）模型求解6.2城市交通控制的基本理論和方法建立目標(biāo)函數(shù)-以延誤時間為例戰(zhàn)略檢測器：獲取上游各流向的交通需求信息，以便計算交叉口性能指標(biāo)參數(shù)，判斷超長排隊情況；離停車線150~250米；戰(zhàn)術(shù)檢測器：用于統(tǒng)計各流向車流的駛離情況，并進(jìn)行綠信比微調(diào)；離停車線3米左右6.2城市交通控制的基本理論和方法模型的基本假定：1.任何流向的車流排隊長度不會超過上游戰(zhàn)略檢測器的位置（即非過飽和條件）；2.

檢測器無故障；3.

排隊車輛數(shù)以標(biāo)準(zhǔn)車（pcu）計；4.忽略車流的“平均無阻滯行程時間”（從上游檢測器行駛到下游排隊隊尾所需的行程時間）6.2城市交通控制的基本理論和方法6.1概述6.2城市交通控制的基本理論和方法6.3定時式脫機控制系統(tǒng)6.4感應(yīng)式聯(lián)機控制系統(tǒng)6.5基于多智能體的區(qū)域交通控制系統(tǒng)系統(tǒng)主要組成部分：1）仿真模型：用來模擬在信號燈控制下交通網(wǎng)上的車輛行駛狀況，以便計算在一組給定的信號配時方案下交通網(wǎng)絡(luò)的運行指標(biāo)。2）信號配時優(yōu)化過程：改變信號配時方案并確定系統(tǒng)性能指標(biāo)，經(jīng)過反復(fù)試算和搜索得到最佳配時方案。定時式脫機控制系統(tǒng)－TRANSYT定時式脫機控制系統(tǒng)－TRANSYT網(wǎng)絡(luò)幾何尺寸及網(wǎng)絡(luò)交通流信息新的信息配時優(yōu)化數(shù)據(jù)最佳信號配時初始信號配時優(yōu)化過程仿真模型效能指標(biāo)PI網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的延誤及停車次數(shù)周期流量圖TRANSYT基本原理圖1）交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖式圖式由“節(jié)點”和“節(jié)點”之間的“連線”組成。在交通網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖上，每一個“節(jié)點”代表一個由信號燈控制的交叉口；每一條“連線”表示一股駛向下游一個“節(jié)點”的單向車流?！斑B線”不可與“車道”混為一談，一條“連線”可以代表一條或幾條車道上的車流，而一個進(jìn)口道上的幾條車道則可用一條或數(shù)條“連線”來表示。2）周期流量變化圖式

周期流量變化圖式是縱坐標(biāo)表示交通量，橫坐標(biāo)表示時間(以一個周期時長為限)的交通量在一個周期內(nèi)隨時間變化的一種柱狀圖。TRANSYT仿真模型的幾個主要環(huán)節(jié)：3）車流在連線上運行狀況的模擬為描述車流在一條連線上運行的全過程，TRANSYT使用如下三種周期流量圖式：(1)到達(dá)流量圖式(簡稱“到達(dá)”圖式)。這一圖式表示車流在不受阻滯的情況下，到達(dá)下游停車線的到達(dá)率變化情況。(2)駛出流量圖式(簡稱“駛出”圖式)。這一種圖式描述了車流離開下游交叉口時的實際流量的變化情況。(3)飽和駛出圖式(簡稱“滿流”圖式)。4）車輛的平均延誤時間及停車次數(shù)效能指標(biāo)PI“爬山法”優(yōu)化計算原理相位差的優(yōu)化初始配時方案向“+”方向調(diào)步長PI下降再向“+”方調(diào)步長PI下降PI上升向“+”調(diào)整成功PI下降再向“-”方調(diào)步長PI下降PI上升向“-”調(diào)整成功向“-”方向調(diào)步長PI上升PI上升維持初始方案TRTANSYT優(yōu)化算法-“爬山法”流程6.1概述6.2城市交通控制的基本理論和方法6.3定時式脫機控制系統(tǒng)6.4感應(yīng)式聯(lián)機控制系統(tǒng)6.5基于多智能體的區(qū)域交通控制系統(tǒng)SCOOT系統(tǒng)SCOOT(Split-Cycle-OffsetOptimizationTechnique)即“綠信比——周期長——相位差優(yōu)化技術(shù)”是一種對交通信號網(wǎng)實行實時協(xié)調(diào)控制的自適應(yīng)系統(tǒng)，由英國TRRL（運輸與道路研究所）于1973年開始研究開發(fā)，1979年正式投入使用。與TRANSYT的比較：1.在TRANSYT的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其模型及優(yōu)化原理均與TRANSYT相似。2.SCOOT是方案形成式的控制系統(tǒng)，通過安裝于各交叉口每條進(jìn)口道最上游的車輛檢測器所采集的車輛到達(dá)信息，聯(lián)機處理，形成控制方案，連續(xù)地實時調(diào)整綠信比、周期時長及相位差等參數(shù)，使之同變化的交通流相適應(yīng)。3.SCOOT優(yōu)化采用小步長漸近尋優(yōu)方法，無需過大的計算量。此外，對道路網(wǎng)上可能出現(xiàn)的交通擁擠和阻塞情況，SCOOT有專門的監(jiān)視和應(yīng)對措施。SCOOT系統(tǒng)基本原理圖檢測交通參數(shù)數(shù)據(jù)處理車隊散布模型車隊排隊模型效能指標(biāo)PI交通網(wǎng)絡(luò)參數(shù)初始配時方案信號配時優(yōu)化最佳信號配時方案信號控制機最優(yōu)？交通仿真模型新配時方案否是信號配時優(yōu)化輸入數(shù)據(jù)SCOOT主要環(huán)節(jié)——檢測1）檢測器的合適位置：設(shè)在離停車線有相當(dāng)距離的地點，一般設(shè)在上游交叉口的出口，離下游停車線盡量遠(yuǎn)。設(shè)置檢測地點應(yīng)該考慮的因素：（1）當(dāng)兩交叉口間有支線或中間出入口，且其交通量大于干線流量的10%，應(yīng)該盡量把檢測器設(shè)在支線或中間出入口下游（2）檢測器應(yīng)設(shè)在公共交通?？空鞠掠?，避免其他車輛因繞道而漏檢；（3）設(shè)在行人過街橫道下游，檢測器離過街橫道至少30m；（4）設(shè)在離下游停車距離至少相當(dāng)于行車時間8-12s的路程或一個周期內(nèi)車輛最大排隊長度以上。SCOOT主要環(huán)節(jié)——檢測這樣的好處：（1）可實時檢測當(dāng)周流量，實時預(yù)測到達(dá)停車線的周期流量圖；（2）實時檢測當(dāng)周排隊長度，避免因車輛隊尾越過上游交叉口而加劇交通堵塞；（3）可實時檢測車輛擁擠程度。2）檢測數(shù)據(jù)類型：交通量，占用時間及占用率，擁擠程度。SCOOT主要環(huán)節(jié)——子區(qū)事先劃定子區(qū)域，不能合并，也不能分拆，但可以在子區(qū)中有雙周期交叉口。SCOOT主要環(huán)節(jié)——模型1）周期流量圖——車隊預(yù)測:根據(jù)檢測器檢測到交通信息（交通量及占用時間）經(jīng)實時處理后，實時繪制成檢測器斷面上的車輛到達(dá)周期流量圖，然后在檢測斷面的周期流量圖上，通過車流離散模型預(yù)測到達(dá)停車線的周期流量，即到達(dá)圖式。2）排隊預(yù)測3）擁擠預(yù)測：為控制排隊延伸到上游交叉口，必須控制受阻排隊長度。交通模型根據(jù)檢測的占用率計算擁擠系數(shù)，可以反映車輛受阻程度，同時因檢測器設(shè)在靠近上游交叉口的出口道上，因此當(dāng)檢測器測得有車停在檢測器上時，表明排隊即將延伸到上游交叉口。4）效能預(yù)測用延誤和停車數(shù)加權(quán)值之和或油耗作為綜合交通指標(biāo)PI，有時也用擁擠系數(shù)作為效能指標(biāo)之一。指標(biāo)的選取可視控制決策而定，例如，在高峰時以降低車輛延誤為主要控制目標(biāo)，在短距離交叉口間，考慮要避免車輛排隊堵塞上游交叉口，可把擁擠系數(shù)作為控制目標(biāo)之一；另外，SCOOT把飽和度作為優(yōu)選周期長的依據(jù)，因為飽和度隨周期長的加長而降低，飽和度達(dá)到100%時，勢必發(fā)生嚴(yán)重的交通阻塞，所以控制飽和度不超過90%。模仿車流從上游交叉口停車線上綠燈時駛出到下游交叉口遇紅燈在停車線前停車排隊的全過程，可分為三個過程：a.上游交叉口車流在綠燈時駛出停車線的過程，SCOOT系統(tǒng)需要在交叉口出口道部分設(shè)置車輛檢測設(shè)施。檢測設(shè)施傳感器測得車輛通過的信號傳至計算機，計算機把這些信號處理成仿真的“周期流量圖”。b.兩交叉口間路段上車輛行駛過程，SCOOT系統(tǒng)模仿車輛在兩交叉口間路段上行駛時的實際形態(tài)：車流在上游交叉口停車線上紅燈時的排隊形態(tài)是一輛緊挨著一輛的壓縮形態(tài)。綠燈啟亮按序駛出停車線到路段上行駛時，由于各車車速的逐漸加快與參差不齊，逐漸分散拉開車距，呈分散形態(tài)，直到接近下游停車線遇紅燈時又排隊呈壓縮形態(tài)。C.下游交叉口車流在紅燈時到達(dá)停車線前的排隊過程。SCOOT系統(tǒng)用車流散布模型模仿車流在路段上的行駛過程，預(yù)測各車到達(dá)下游停車線前排隊隊尾的時刻，憑各輛車預(yù)測的到達(dá)時刻可處理成預(yù)測的排隊圖形。從排隊圖形計算排隊延誤時間或停車率等效能指標(biāo)。SCOOT主要環(huán)節(jié)——優(yōu)化1）優(yōu)化策略：對優(yōu)化配時參數(shù)隨交通需求的改變而作頻繁的適量調(diào)整，由頻繁調(diào)整的連續(xù)累計來適應(yīng)一個時段內(nèi)的交通變化趨勢，4大好處：（1）不會出現(xiàn)過大起落，可避免因配時突變而引起車流的不穩(wěn)定；（2）由于對配時參數(shù)只做適量的調(diào)整，大大簡化了優(yōu)化算法，實時運算的自適應(yīng)控制才可能得到實現(xiàn)；（3）頻繁的調(diào)整，可避免對車流狀況作長時間預(yù)測的難題；（4）配時參數(shù)每次調(diào)整量不大，但因調(diào)整頻繁而總能跟蹤交通變化的趨勢。SCOOT主要環(huán)節(jié)——優(yōu)化（續(xù)）2）綠燈時長優(yōu)化（1）對每個交叉口都單獨處理其綠燈時長的優(yōu)化；（2）每一相位開始前幾秒鐘都要重新計算現(xiàn)行綠燈時長是否需要調(diào)整；（3）綠燈時長的調(diào)整量是4s；（4）優(yōu)選綠燈時長，即以調(diào)整4s后的；（5）調(diào)整量4s是下一相位的所謂“周期性調(diào)整”，在下一次再要調(diào)整時，隨正負(fù)方向保留1s的所謂“趨勢性調(diào)整”，下一次的調(diào)整量即保留這1s基礎(chǔ)上再調(diào)整4s，以利于跟蹤在一個時段內(nèi)的交通變化趨勢。（6）定綠燈時長時，還需要考慮交叉口總飽和度的最小、車輛排隊長度、擁擠程度以及最短綠燈時長的限制等因素。SCOOT主要環(huán)節(jié)——優(yōu)化（續(xù)）3）相位差優(yōu)化（1）優(yōu)化相位差，以子區(qū)為單位；（2）對每一交叉口，在每周期前都要作一次相位差優(yōu)化計算；（3）相位差的調(diào)整量也是4s；（4）優(yōu)化相位差的方法與優(yōu)化綠信比一樣，但以全部相鄰道路上的PI綜合最小為優(yōu)化目標(biāo)；（5）優(yōu)化相位差，必須考慮短距離交叉口間的排隊，SCOOT首先考慮這些交叉口間的通車連續(xù)性，必要時可犧牲長連線上信號間的協(xié)調(diào)（可容納較多的排隊車輛），以保證短連線上不出現(xiàn)排隊堵塞上游交叉口的現(xiàn)象。SCOOT主要環(huán)節(jié)——優(yōu)化（續(xù)）4）周期長優(yōu)化（1）優(yōu)化周期長以子區(qū)為單位；（2）每隔2.5-5min對其子區(qū)每個交叉口的周期長作一次運算，以關(guān)鍵交叉口的周期長作為子區(qū)內(nèi)的公用周期長；（3）以子區(qū)內(nèi)關(guān)鍵交叉口的飽和度限于90%為目標(biāo)，飽和度小則遞減周期長，減小通行能力可使飽和度上升，接近90%時停止降低周期長；飽和度大則遞增周期長，提高通行能力，可使飽和度下降；（4）周期長的調(diào)整量為4-8s（5）在調(diào)整周期長時，同時考慮選擇周期信號，如因配雙周期信號而能使整體PI最優(yōu)時，對選定的周期長可另作調(diào)整；（6）還考慮最短周期長與最大周期長的限制；（7）在周期長優(yōu)化中，不考慮交通擁擠系數(shù)，SCOOT只在綠信比和相位差優(yōu)化中考慮擁擠系數(shù)。信號控制系統(tǒng)的評價指標(biāo)1）旅行時間2）通過交叉口所需停止、起動次數(shù)以及等待信號次數(shù)3）延誤時間；4）擁擠時間（車輛排隊長度）1）旅行時間通過某個區(qū)間所需要的總時間，包括停車等引起的延誤時間，但不包括車道以外的延誤時間和在車道上的停車時間。旅行時間的計測是為了把握路線全體或路線中比較長的一段區(qū)間的交通狀況。根據(jù)旅行時間指標(biāo)，可以判定被測線路上的瓶頸地點和信號的系統(tǒng)時間排列是否合適測量方法有：實驗車行走法、車牌號識別等方法。2）通過交叉口所需停止、起動次數(shù)以及等待信號次數(shù)起停次數(shù)：指被測區(qū)間行走過程中，由于信號而停止，之后再起動的次數(shù)；等待信號次數(shù)：指到通過信號時為止通行方向上相位的紅燈次數(shù)；兩者相互關(guān)聯(lián)。3）延誤時間指車輛在沒有信號和等待行列（包括加減速）的阻礙下行走所需時間和實際的旅行時間之差。（1）平均延誤：是作為在交叉口進(jìn)口道每臺車的平均延誤所定義的狀態(tài)量。（2）總延誤：是交叉口進(jìn)口道全部車輛延誤的合計，可作為飽和程度的指標(biāo)和控制效率的指標(biāo)。（3）交叉口的延誤模型平均延誤s-飽和交通流量q-流入交通流量

-飽和度R-該交通流所面臨的紅燈時間（包括損失時間）C-周期長G-綠燈時間比（g=G/C=(C-R)/C)假設(shè)交通流的到達(dá)分布為泊松分布時，每臺流入車輛的平均延誤為4）擁擠時間（車輛排隊長度）擁擠長度是滯留在作為瓶頸口的交叉口（或某個地點）進(jìn)口道的車隊長度。通常根據(jù)每5分鐘的車輛檢測器的數(shù)據(jù)來推算。擁擠時間是某個時間范圍內(nèi)擁擠長度的時間積分值，采用下式計算：LT——擁擠時間lt——t時刻擁擠長度（km）

——量測時間間隔（通常5分鐘）這作為表示擁擠總量的指標(biāo)，用于擁擠對策的事前、事后評價。調(diào)查地點可選瓶頸交叉口、路段、區(qū)段等。6.1概述6.2城市交通控制的基本理論和方法6.3定時式脫機控制系統(tǒng)6.4感應(yīng)式聯(lián)機控制系統(tǒng)6.5基于多智能體的區(qū)域交通控制系統(tǒng)傳統(tǒng)交通控制系統(tǒng)的局限1）傳統(tǒng)的交通控制方法是通過對整個區(qū)域的路網(wǎng)及交通流進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，在此基礎(chǔ)上通過建立數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用運籌學(xué)方法以及最優(yōu)控制理論求取最優(yōu)控制變量，以期對交通系統(tǒng)的整體控制達(dá)到最優(yōu)。但由于城市交通系統(tǒng)是一個典型的非線性、動態(tài)時變的、不確定性的復(fù)雜大系統(tǒng)，要對它建立精確的數(shù)學(xué)模型是非常困難的，所采用的最優(yōu)算法在實際應(yīng)用中未必能達(dá)到最優(yōu)。另外，出于簡化問題和方便處理的目的，在建立交通模型和優(yōu)化算法時，往往采用了一些簡單的確定性方法或人為設(shè)定一些理想化的假設(shè)條件，從而使系統(tǒng)本身具有難以克服的內(nèi)在缺陷。2）傳統(tǒng)的交通控制系統(tǒng)中信號配時方案主要是針對平緩交通流狀態(tài)，且大多數(shù)實時自適應(yīng)控制系統(tǒng)一般僅可對較小的交通流變化進(jìn)行限制性的適應(yīng)調(diào)整，而對由事故、施工等引起的交通流突然的、大幅度變化缺乏良好的應(yīng)對能力。分布式人工智能在20世紀(jì)70年代的后期出現(xiàn)了分布式人工智能（DAI：DistributedArtificialIntelligence）。分布式人工智能產(chǎn)生的原因主要在于：（1）單個智能系統(tǒng)的資源是有限的；（2）人類智能不僅表現(xiàn)在單個人的智能行為中，更表現(xiàn)在人類社會中各種組織及整個社會的智能行為中，DAI結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的AI更能符合人類智能的特點；（3）Internet網(wǎng)的出現(xiàn)，為DAI系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了必要的支持。智能體（Agent）的基本概念分布式人工智能主要研究在邏輯上或物理上分散的智能動作者如何協(xié)調(diào)其智能行為，即協(xié)調(diào)它們的知識、技能和規(guī)劃，求解單目標(biāo)或多目標(biāo)問題，為設(shè)計和建立大型復(fù)雜的智能系統(tǒng)或計算機支持協(xié)同工作提供有效途徑。Agent的概念在國內(nèi)的文獻(xiàn)中有幾種翻譯方式：智能體、主體、代理等，但是最常見的是仍采用英文“Agent”。HyacinthS.Nwawa對于Agent的定義是這樣描述的：Agent是一種可以根據(jù)用戶的利益完成某些任務(wù)的軟件和/或硬件實體。MIT軟件研究小組認(rèn)為：Agent是一類嵌入復(fù)雜、動態(tài)環(huán)境中的計算系統(tǒng)，它可以感知、作用于環(huán)境，并且希望通過動作的執(zhí)行實現(xiàn)一定的目標(biāo)或任務(wù)。

在人工智能領(lǐng)域中，對于Agent的最初理解是“實時地與變化著的環(huán)境交互的規(guī)劃系統(tǒng)”，隨著研究的深入，對Agent增加了許多人類才具有的特征，如精神狀態(tài)、感情等，典型的有Shoham提出的BDI模型，即Agent具有信念（Belief）、愿望（Decision）、意向（Intention）等特點。信念是指Agent當(dāng)前的狀態(tài)，是關(guān)于自身、周圍環(huán)境和其他Agent的信息模型；愿望（或目標(biāo)）是系統(tǒng)期望的行為；意向是系統(tǒng)當(dāng)前或?qū)砟硞€時刻將要執(zhí)行的任務(wù)。

可以清楚地看到，有許多相互聯(lián)系很少的研究領(lǐng)域在同時使用“Agent”這個術(shù)語。在信息技術(shù)領(lǐng)域中，Agent就可以指代許多不同的軟件概念：移動代碼、分布式組件、智能路由器、網(wǎng)絡(luò)搜索工具、電子商務(wù)、機器人、界面動畫顯示等。Agent的概念A(yù)gent的體系結(jié)構(gòu)所謂Agent的體系結(jié)構(gòu)是指如何用軟件或硬件的方式實現(xiàn)Agent。1）認(rèn)知型Agent

認(rèn)知型Agent是一個基于知識的系統(tǒng)，是從符號人工智能領(lǐng)域中直接沿襲而來的。這種Agent中包含顯式表示的符號模型，并且其決策過程是通過邏輯推理、模式匹配和符號操作實現(xiàn)的。采用這種結(jié)構(gòu)的Agent主要解決兩個基本問題：（1）轉(zhuǎn)換問題：如何在一定的時間內(nèi)將現(xiàn)實世界翻譯成一個準(zhǔn)確的、合適的符號描述；（2）表示/推理問題：如何用符號表示復(fù)雜的現(xiàn)實世界中的實體和過程，以及如何讓Agent在一定的時間內(nèi)根據(jù)這些信息進(jìn)行推理做出決策。Agent的概念內(nèi)部狀態(tài)信息融合知識庫規(guī)劃目標(biāo)動作傳感器效應(yīng)器認(rèn)知型Agent環(huán)境認(rèn)知型Agent的結(jié)構(gòu)圖Agent的概念2）反應(yīng)型Agent這種類型的Agent中沒有實際的模型和規(guī)劃，僅有一些簡單的行為模式，這些行為模式以刺激——反應(yīng)的方式對環(huán)境的改變做出反應(yīng)。當(dāng)前世界動作傳感器效應(yīng)器反應(yīng)型Agent環(huán)境條件-動作規(guī)則Agent的概念2）混和型Agent在Agent系統(tǒng)中包含兩個子系統(tǒng)：一個是認(rèn)知型子系統(tǒng)，含有用符號表示的世界模型，并用傳統(tǒng)人工智能中提出的方法生成規(guī)則并進(jìn)行相應(yīng)的決策；另一個子系統(tǒng)為反應(yīng)型，直接對環(huán)境中出現(xiàn)的一些緊急事件作出反應(yīng)。通常，反應(yīng)型子系統(tǒng)的優(yōu)先級比認(rèn)知型子系統(tǒng)高。建模決策生成反射規(guī)劃通訊感知行為預(yù)測一般情況緊急或簡單情況協(xié)作與協(xié)商Agent外部世界其他AgentAgent的概念

多智能體系統(tǒng)是一個有組織、有序的智能體群體，共同工作在特定的環(huán)境中，每個智能體根據(jù)環(huán)境信息完成各自承擔(dān)的工作，也可以分工協(xié)作，合作完成特定的任務(wù)?；贛AS的控制系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)意義上的分散控制，它是把控制器當(dāng)作具有自治性和協(xié)作性的主動行為能力的智能體，通過相關(guān)智能體的通信和任務(wù)分享進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，以實現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)。Agent的概念基于多智能體的區(qū)域控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架多級遞階的層次結(jié)構(gòu)，每一級都由功能、結(jié)構(gòu)類似的智能體（Agent）組成，主要包括3類Agent:中心控制級Agent(CTA)，區(qū)域控制級Agent(ARA)和路口執(zhí)行級Agent(ISA)。各級Agent的功能1)中心控制級Agent整個系統(tǒng)的最高層,負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體管理、各區(qū)域控制級Agent之間的協(xié)調(diào)等,具有最高的決策權(quán)力。中心控制級Agent可對整個系統(tǒng)的交通運行狀況進(jìn)行評估,根據(jù)各方面的匯總信息,進(jìn)行推理、規(guī)劃和決策,實現(xiàn)所有子區(qū)域控制系統(tǒng)間的協(xié)作。2)